Меню

Цепь переменного тока с индивидуальностью



Цепи переменного тока (краткая теория)

date image2017-11-01
views image7566

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Переменным называется ток, который с течением времени изменяет свою величину или направление. В промышленности наибольшее распространение получил синусоидальный переменный ток, то есть ток, величина которого изменяется со временем по закону синуса или косинуса. Синусоидальный переменный ток имеет целый ряд преимуществ перед постоянным током, что и объясняет его использование в промышленности и в быту.

В цепях переменного тока, кроме процессов нагрева проводов имеются дополнительные процессы, обусловленные изменяющимися магнитными и электрическими полями. Изменение этих полей оказывает влияние на величину и форму тока в цепи и может приводить к дополнительным потерям энергии. Величина и форма кривой силы тока зависят не только от параметров электрической цепи, но и от частоты и формы кривой приложенного напряжения. Поэтому анализ явлений, происходящих в цепях переменного тока, вследствие этого усложняется.

Рассмотрим электрическую цепь с последовательно включёнными катушкой индуктивностью L, конденсатора ёмкостью C и резистором с активным сопротивлением R (рис. 10.1) к источнику переменного тока, напряжение которой меняется по закону . В цепи возникает переменный ток, меняющийся по закону где φ — сдвиг фаз между током и напряжением. При этом связь между током Im и напряжением Um, согласно закону Ома, будет

, (10.1)

где — реактивное сопротивление, — индуктивное сопротивление, — емкостное сопротивление, — полное сопротивление или импеданс.

Рис.10.1. Электрическая цепь с последовательно включёнными катушкой индуктивности L, конденсатором C и резистором R

Этот ток вызывает падение напряжения на элементах цепи L, C, R:

, (10.2)

, (10.3)

. (10.4)

По второму закону Кирхгофа общее напряжение равно сумме падений напряжений на участках (элементах) цепи , и это соотношение иллюстрируется на векторной диаграмме (рис.10.2,а)). (На векторной диаграмме параметры рассматриваются как векторы, хотя знак вектора часто не ставится).

Из векторной диаграммы для сопротивлений (рис. 10.2.б)) видно, при и . Это соответствует условию последовательного резонанса. При этом и . Отсюда — формула Томсона, соответствует периоду собственных колебаний контура.

Рис. 10.2. Векторные диаграммы напряжений (а) и сопротивлений (б)

Мощность в цепи переменного тока со временем меняется по закону

.

Среднее значение мощности будет определяться соотношением

,

.

Выполняя усреднение по периоду колебаний T=2π/ω

,

с учётом значений интегралов

,

,

.

Таким образом, среднее значение мощности будет определяться соотношением

, (5)

Величины и соответственно называются эффективными, или действующими значениями тока и напряжения, а cosφназывается коэффициентом мощности. Большинство электроизмерительных приборов (амперметры, вольтметры) измеряют эффективные значения.

Зависимость мощности от cosφ необходимо учитывать при проектировании линий электропередачи на переменном токе. Если питаемые нагрузки имеют большое реактивное сопротивление, то cosφ может быть гораздо меньше единицы.

Для более рационального использования мощности станции надо стремиться сделать нагрузку такой, чтобы cosφ = 1. Для этого достаточно обеспечить равенство индуктивного и ёмкостного сопротивлений. Однако на практике в масштабе промышленного предприятия добиться этого весьма трудно, хотя часто значение cosφ доводят до 0,9—0,95. Повышение cosφ осуществляется путём подключения конденсаторов, что не совсем выгодно. В большинстве случаев применяют электрические машины (синхронные), работающие в «ёмкостном» режиме. Повышение cosφ является важной задачей. Так, повышение cosφ в энергосистемах всего лишь на 0,01 может дать экономию электроэнергии более 500 млн. кВт·ч в год.

Выполнение работы

Электрическая схема установки показана на рис. 10.3. Параметры установки: С1=1 мкФ, С2=5 мкФ, С3=10 мкФ, R=710 Ом.

Рис. 10.3. Электрическая схема установки

Выполните измерения в следующем порядке

  1. Подключите миллиамперметр к соответствующим клеммам цепи (рис.10.3).
  2. Включите тумблер К (загорится лампочка на передней панели )
  3. Установите переключатель “Пк” в положение «1» и запишите показания миллиамперметра в таблицу 1.
  4. Подключая вольтметр к клеммам «C» «L» «R», запишите показания в табл 1.
  5. Подключитt вольтметр между клеммами «C» «L» и запишите показания в таблицу 1.
  6. Измерьте входное напряжение Uвх.
  7. Проделайте пункты 3-5 для положений переключателя «2» и «3».
  8. По полученным данным для каждой системы измерений постройте векторную диаграмму напряжений. Сравните показания вольтметра в случае «C — L» с разностью показаний вольтметра на «С» и «L». Обратите внимание на знак.
  9. Вычислите xc конкретного случая по формуле

  1. Вычислите полное сопротивление (импеданс) Z.
  2. Исходя из полученных данных и векторной диаграммы вычислите индуктивность дросселя L (Гн)

.

(преобразуйте векторную диаграмму по напряжениям в векторную диаграмму по сопротивлениям (рис.10.2))

  1. Из полученных результатов определите значение cosφ (каков знак + или -). Объясните результат.
  2. Вычислите мощность (Вт). Для каждого из полученных значений мощности рассчитайте относительную погрешность ε.
С, мкФ I, mА UC, В UL, В UR, В ULC, В Uвх, B Z, Ом L, Гн cosφ P, Вт ε, %

Контрольные вопросы

  1. При каком сердечнике активное сопротивление катушки будет большим: при сплошном металлическом или набранном из изолированных металлических пластин? Объяснить ответ.
  2. Чему равняется сдвиг фаз между током и напряжением, если цепь состоит из:
    а) чисто активного сопротивления?
    б) чисто индуктивного сопротивления?
  3. Когда наблюдается резонанс? Используя результаты экспериментов, определить частоту резонанса.

Лабораторная работа № 2.8
Свободные механические колебания

Цель работы: изучение механических гармонических, ангармонических и затухающих колебаний с помощью математического и физического маятников.

Приборы и принадлежности: физические маятники – шары на нитях, секундомер, линейка.

Литература: [1-4]

План работы:

1. Изучение гармонических колебанийфизического и математического маятников.

2. Изучение ангармонических колебанийфизического маятника.

3. Изучение затухающих колебаний.

4. Измерение периода малых колебаний математического маятника и определение ускорения свободного падения.

5. Исследование зависимости периода колебаний маятника от амплитуды.

6. Исследование затухающих колебаний маятника.

7. Изучение темы «Свободные колебания математического маятника» с помощью программы «Открытая физика».

Источник

Символический (комплексный) метод расчета цепей переменного тока

ads

Одним из способов расчета цепей переменного тока является комплексный, или еще как говорят, символический метод расчета. Этот метод применяется при анализе схем с гармоническими ЭДС, напряжениями и токами. В результате решения получают комплексное значение токов и напряжений, используя для решения любые методы (эквивалентных преобразований, контурных токов, узловых потенциалов и т.п.). Но для начала необходимо иметь понятие, в каких именно формах может представляться синусоидальная величина. 1. Одна из форм представления – это вращающийся вектор (см. рис.1):

Рис.1. Вращающийся вектор

С помощью рисунка ясно видно, как с течением времени меняется значение синусоидальной величины. В нашем случае – это величина а на графике, которая может быть, например, входным напряжением. Величина имеет некоторое начальное значение при t = 0 при начальной фазе φ

имеет положительное максимальное значение при угле ωt3, когда при времени t3 сумма ωt3 + φ = 90° и соответственно,

имеет отрицательное максимальное значение при угле ωt7, когда при времени t7 сумма углов ωt7 + φ = 270° и, соответственно,

и имеет два нулевых значения при ωtn + φ = 0, когда ωtn = —φ (на рис.1 эта область не показана и находится слева от начала координат)

и имеет нулевое значение при угле ωt11, когда при времени t11 сумма ωt11 + φ = 360° и соответственно,

Именно по такому закону и меняется привычное нам переменное напряжение 220 В, изменяясь по синусоидальному закону от значения 0 В до максимальных 311 В и обратно.

2. Другая форма представления – это комплексное число. Чтобы представить ранее рассмотренную форму представления синусоидальной величины, которая имеет некоторую начальную фазу φ, создают комплексную плоскость в виде графика зависимости двух величин (рис.2)

Читайте также:  Направление токов электромагнитной индукции

Комплексное число на комплексной плоскости

Рис.2. Комплексное число на комплексной плоскости

Длина вектора Am на такой комплексной плоскости равна амплитуде (максимальному значению) рассматриваемой величины. С учетом начальной фазы φ такое число записывают как .

На практике при использовании для расчетов символического (комплексного) метода расчета используют для некоторых удобств не амплитудное значение величины, а так называемое действующее значение. Его величина в корень из двух раз меньше амплитудного и обозначается без индекса m, т.е. равна

действующее значение

На рисунке выше этот вектор также показан.
Например, при том же нашем напряжении в сети, максимальное значение синусоидально изменяющегося напряжения равно 311 В, а действующее значение, к значению которого мы привыкли

Действующее значение напряжения

При работе с комплексными числами и расчетов применяют различные формы записи комплексного числа. Например, при сложении комплексных чисел удобнее использовать алгебраическую форму записи таких чисел, а при умножении или делении – показательную форму записи. В некоторых случаях пишут тригонометрическую форму.
Итак, три формы записи комплексного числа:

1) показательная форма в виде

Показательная форма комплексного числа

2) тригонометрическая форма в виде

Тригонометрическая форма комплексного числа

3) алгебраическая форма

Алгебраическая форма комплексного числа

где ReA — это действительная составляющая комплексного числа, ImA — мнимая составляющая.

Например, имеем комплексное число в показательной форме вида

в тригонометрической форме записи это запишется как

при подсчете получим число, плавно переходящее в алгебраическую форму с учетом того, что

В итоге получим

При переходе от алгебраической формы к показательной комплексное число вида

переходит к показательному виду по следующим преобразованиям

Таким образом, и получим

Перейдем к рассмотрению несложных примеров использования символического, или по-другому, комплексного метода расчета электрических цепей. Составим небольшой алгоритм комплексного метода:

      • Составить комплексную схему, заменяя мгновенные значения ЭДС, напряжений и токов их комплексным видом
      • В полученной схеме произвольно выбирают направления токов в ветвях и обозначают их на схеме.
      • При необходимости составляют комплексные уравнения по выбранному методу решения.
      • Решают уравнения относительно комплексного значения искомой величины.
      • Если требуется, записывают мгновенные значения найденных комплексных величин.

Пример 1. В схеме рис.3 закон изменения ЭДС e = 141sin*ωt. Сопротивления R1 = 3 Ом, R2 = 2 Ом, L = 38,22 мГн, С = 1061,6 мкФ. Частота f = 50 Гц. Решить символическим методом. Найти ток и напряжения на элементах. Проверить 2-ой закон Кирхгофа для цепи.

Схема с последовательным соединением элементов

Рис.3. Схема с последовательным соединением элементов

Составляем комплексную схему, обозначив комплексные токи и напряжения (рис.4):

Схема с комплексными обозначениями

Рис.4. Схема с комплексными обозначениями

По закону Ома ток в цепи равен

Закон ома в комплексной форме

где U — комплексное входное напряжение, Z — полное сопротивление всей цепи. Комплекс входного напряжения находим как

Пояснение: здесь начальная фаза φ = 0°, так как общее выражение для мгновенного значения напряжение вида при φ = 0° равно

Соответственно, комплекс входного напряжения в показательной форме запишется как

Полное комплексное сопротивление цепи в общем виде

Находим комплексное сопротивление индуктивности

Находим комплексное сопротивление емкости

Соответственно, общее комплексное сопротивление цепи

Комплексные напряжения на элементах

Проверяем второй закон Кирхгофа для замкнутого контура, т.е. должно выполняться равенство

С небольшим расхождением из-за округлений промежуточных вычислений всё верно.

Пример 2. В электрической цепи (рис.5) однофазного синусоидального тока, схема и параметры элементов которой заданы для каждого варианта в таблице, определить:
1) полное сопротивление электрической цепи и его характер;
2) действующие значения токов в ветвях;
3) показания вольтметра и ваттметра;

      Исходные данные: Е = 220 В, f = 50 Гц, L1 = 38,2 мГн, R2 = 6 Ом, С2 = 318 мкФ, L2 = 47,7 мГн, R3 = 10 Ом, С3 = 300 мкФ.

Рис.5.Цепь однофвзного синусоидального тока

Решение:
1. Находим комплексные сопротивления ветвей и всей цепи:
Учитываем, что

Комплексное сопротивление первой ветви:

Комплексное сопротивление второй ветви:

Комплексное сопротивление третьей ветви:

Общее сопротивление цепи

— нагрузка носит активно-индуктивный характер

2. Находим действующие значения токов в ветвях:

Рис.6. Схема с обозначенными комплексными токами

Действующие значения, соответственно,

3. Определим показания приборов:
Вольтметр подключен по схеме параллельно источнику питания. Соответственно его показание равно:
U=220 В
Ваттметр включен токовой обмоткой в разрыв третьей ветви, а обмоткой напряжения также к выводам третьей ветви, измеряя, таким образом, активную мощность третьей ветви. Эта мощность равна мощности на сопротивлении R3. Его показания:

Источник

Все, что нужно знать об электрических цепях переменного тока: виды, структура и расчеты

Фото 1

Хотя постоянный ток качественнее переменного, в электросетях в основном применяется второй. Причины — удешевление двигателей (генераторов), мизерные потери при транспортировке электричества на большие расстояния и возможность преобразовывать ток трансформированием.

Далее рассмотрим, какими бывают электрические цепи переменного тока и из чего они состоят.

Электрические цепи переменного тока

Переменный ток, в отличие от постоянного, с определенной периодичностью меняет направление и величину. Генерируется он путем вращения проволочного витка в магнитном поле или, наоборот, магнитного поля при неподвижном витке.

Наводимая ЭДС зависит от синуса угла, на который повернут ротор генератора. Потому все переменные электрические величины являются синусоидальными. Существует два вида цепей переменного тока – одно- и трехфазные.

Фото 2

Параметры переменного тока:

  1. амплитуда: максимальное отклонение от нуля. Оно достигается при положении плоскости витка перпендикулярно силовым линиям поля. В момент времени, когда плоскость витка и силовые линии становятся параллельными, ЭДС падает до нуля, затем меняет знак;
  2. частота: число полных циклов за секунду (в основном используется ток частотой в 50 Гц);
  3. мгновенное значение: величина параметра в данный момент времени;
  4. действующее значение (см. ниже).

Однофазные

В однофазной цепи генератор имеет одну обмотка для индукции ЭДС и к ней подключен один проводник. Источников тока может быть и несколько, но они должны работать в одной фазе и на одной частоте.

Трехфазные

Фото 3

В статоре генератора 3-фазной цепи имеется 3 обмотки для индукции, сдвинутые друг относительно друга на угол в 120 n градусов, где n — число пар полюсов. Соответственно, наводимые в каждой обмотке ЭДС отличаются по фазе на угол в 120 градусов (электрический угол).

При отдельном подключении каждой обмотки для передачи энергии требуется 6 проводов. Систему называют несвязной и сегодня она не применяется ввиду повышенных затрат материалов.

Экономически более целесообразна связанная система, когда обмотки соединены одним из двух способов:

  1. «звездой». Обмотки одной стороной замкнуты в одной точке. Это дает возможность применить один нулевой провод, общий для всех фаз, то есть система получается 4-проводной. А если токи в фазах равны (симметричная нагрузка), необходимость в использовании нулевого провода отпадает: токи гасят друг друга (их векторная сумма равна нулю). В этом случае применяется 3-проводная система;
  2. «треугольником». Обмотки образуют замкнутый контур: каждая своим концом подключается к началу следующей. В каждой фазе формируется линейное напряжение, равное фазному. Но величина фазного тока окажется в 1,72 раза ниже линейного.

Трехфазная система электроснабжения превосходит однофазную в следующем:

Фото 4

  1. требуется меньше материалов для изготовления силовых кабелей;
  2. для одной установки доступно два напряжения: фазное (фаза – нейтраль) и линейное (фаза – фаза). То есть при изменении схемы подключения нагрузки со «звезды» на «треугольник», получают два уровня мощности;
  3. есть возможность получать вращающееся магнитное поле, чем удешевляется конструкция электродвигателей и других устройств. Для этого в статоре двигателя размещают равноудаленно три обмотки, подключенные к разным фазам;
  4. система уравновешена. К примеру, 3-фазные люминесцентные светильники почти не мерцают, в отличие от 1-фазных. В таком светильнике имеется три лампы или группы ламп, подключенных к разным фазам. Когда светимость одной лампы уменьшается, соседняя разгорается. Происходит взаимокомпенсация.
Читайте также:  Электродвигатели постоянного тока до 200 ватт

Структура

Электрическая цепь — совокупность устройств и элементов, имеющая целью доставить ток потребителю и преобразовать его в другой вид энергии: тепло, свет или механическую работу.

Фото 5

В цепи различают три части:

  1. источник питания;
  2. транслирующая часть: провода, выключатели, трансформаторы, стабилизаторы и пр. Все то, что используется для передачи, трансформации электрической энергии и поддержания ее качества на должном уровне;
  3. потребители: лампы, электродвигатели, нагреватели и пр.

Источник питания — генератор, аккумулятор, солнечную батарею — называют внутренней частью цепи, остальные компоненты — внешней. Также источник называют активным элементом, прочие — пассивными. Электрическая цепь функционирует только в замкнутом виде, то есть в непрерывном. При размыкании сила тока в ней падает до нуля, хотя участок со стороны генератора или батареи остается под напряжением.

По числу выводов компоненты цепи делятся на два вида:

  1. двухполюсные: имеют одну пару выводов. Пример — диод, резистор;
  2. многополюсные: имеют более двух выводов. Пример — трансформатор (4 вывода).

Процессы в электрической цепи описываются законами Ома и Кирхгофа.

Компоненты в ней соединяются тремя способами:

  • последовательно;
  • параллельно;
  • комбинированным способом.

Применяют такие термины:

  1. ветвь. Участок из последовательно соединенных элементов в параллельной или комбинированной цепи. Законы электротехники гласят: сила тока в пределах ветви одинакова, независимо от величины сопротивления составляющих ее компонентов, а общее сопротивление ветви равно сумме сопротивлений всех ее компонентов. В цепи только с последовательным соединением компонентов, ветвей не выделяют, ее так и называют — неразветвленная цепь;
  2. узел. Место, где цепь разветвляется. Принято считать, что сумма токов, сходящихся в узле, равна сумме токов, исходящих из него. Падение напряжения для параллельных ветвей между точками разветвления и схождения — одинаково;
  3. контур. Совокупность ветвей, представляющая собой замкнутый путь для тока.

По функциональности отдельные части в структуре электрической цепи делятся на такие виды:

Фото 6

  1. силовая. Включает в себя элементы, генерирующие, проводящие, преобразующие и потребляющие электроэнергию;
  2. вспомогательная. Различные дополнительные устройства, не относящиеся к силовой части. Например, установки компенсации реактивной мощности, предохранители;
  3. измерительная. Относящиеся к этой части приборы позволяют отследить параметры сети и подключенных к ней устройств;
  4. управляющая. Оборудование для регулировки параметров устройств либо их включения/отключения.;
  5. сигнализирующая. Сообщает путем включения сигнальных устройств об изменениях в параметрах сети.

По сложности электрические цепи делят на:

  • простейшие: источник, подключенный к потребителю;
  • простые: содержат один контур;
  • сложные: насчитывают несколько контуров.

В сложных цепях выделяют:

  • многоконтурные;
  • многоузловые;
  • плоскостные;
  • объемные.

Расчет цепи

Основная цель расчета — определение на отдельных участках цепи:

Фото 7

  • напряжения;
  • силы тока;
  • мощности и угла сдвига фаз.

В простых случаях, когда в цепи присутствует только резистивная нагрузка, неудобный для расчетов переменный ток заменяют так называемым действующим значением. Это постоянный ток, эквивалентный данному переменному, то есть выделяющий то же количество тепла.

Для синусоидальных переменных тока и напряжения, справедливы выражения:

  • I = Imax / корень из 2 = Imax / 1.41;
  • U = Umax / корень из 2 = Umax / 1.41;
  • где I и U — действующие значения, соответственно, тока и напряжения;
  • Imax и Umax — амплитуды тока и напряжения, то есть их максимальные отклонения от нуля.

Стандартное напряжение в бытовой электросети 210-230 В — это действующее значение. Реальное значение колеблется в пределах от -296 до 296 В (210 В) или от -324 до 324 В (230 В).

Аналогично, когда говорят, что прибор мощностью 2,2 кВт потребляет ток в 10 А, подразумевают действующее значение, тогда как реальная его величина колеблется в пределах от -14 до 14 А.

Фото 8

График синусоидального переменного тока

Задача усложняется при наличии в комплексе таких элементов:

  • катушки индуктивности: возникают ЭДС само- и взаимоиндукции;
  • конденсаторы: появляются токи – зарядные и разрядные.

Под влиянием этих процессов напряжение и ток сдвигаются по фазе друг относительно друга, разница составляет 90 градусов, при этом в системах:

  • с индуктивностью – U опережает I;
  • с конденсаторами – напряжение отстает от тока.

В подобных цепях действуют те же законы, что и в цепях постоянного тока, но заменить переменные напряжения и ток на действующие значения нельзя, существует два пути:

  1. оперирование мгновенными значениями переменных величин;
  2. запись их в векторной (комплексной) форме.

В первом варианте приходится иметь дело с тригонометрическими уравнениями, поскольку мгновенные значения тока и других параметров выражаются через функцию «sin(ωt)», где ω — угловая частота вращения ротора генератора, t — время. Решение таких уравнений отличается сложностью, потому этот путь непопулярен. Векторными величинами оперировать проще.

Этот метод называют символическим. При составлении уравнений, векторы записывают в виде комплексных чисел, задаваясь условным положительным направлением для тока, напряжения и ЭДС.

В алгебраической форме комплексное число выглядит так A = a + jb, где:

  • А — действительная (вещественная) часть;
  • j — мнимая единица;
  • b — мнимая часть.

Букву, выражающую электрический параметр, в комплексной записи подчеркивают. Для проверки правильности расчета цепи составляют баланс активной и реактивной мощностей.

Видео по теме

О расчете электрической цепи переменного тока в видео:

Многие бытовые приборы, особенно электроника, чувствительны к качеству переменного тока, то есть к стабильности его параметров. Если источник стабильностью не обеспечивает, ситуацию спасает специальное устройство — стабилизатор. Обычные стабилизаторы корректируют только напряжение, а инверторные — даже частоту.

Источник

Электрические цепи переменного тока

Переменный ток получил гораздо большее распространение в промышленности и в быту, чем постоянный, так как упрощается конструкция электродвигателей, а синхронные генераторы могут быть выполнены на значительно большие мощности и более высокие напряжения, чем генераторы постоянного тока. Переменный ток позволяет легко изменять величину напряжения с помощью трансформаторов, что необходимо при передаче электроэнергии на большие расстояния.

Электрический ток, возникающий под действием э. д. с, которая изменяется по синусоидальному закону, называют переменным. По существу, переменный ток — это вынужденные колебания тока в электрических цепях.

Амплитудой переменного тока называется наибольшее значение, положительное или отрицательное, принимаемое переменным током.

Периодом называется время, в течение которого происходит полное колебание тока в проводнике.

Частота — величина, обратная периоду.

Фазой называется угол или , стоящий под знаком синуса. Фаза характеризует состояние переменного тока с течением времени. При t=0 фаза называется начальной.

Периодический режим: . К такому режиму может быть отнесен и синусоидальный:

— амплитуда;

— начальная фаза;

— угловая скорость вращения ротора генератора.

При f=50Гц T= 1/f=0,02 с, 314рад/с.

График синусоидальной функции называется волновой диаграммой.

Расчет цепей переменного тока с использованием мгновенных значений тока, напряжения и ЭДС требует громоздкой вычислительной работы. Поэтому изменяющиеся непрерывно во времени токи, напряжения и ЭДС заменяют эквивалентными во времени величинами.

При расчете электрических цепей синусоидальную функцию выражают по формуле Эйлера через экспоненциальные функции:

— поворотный множитель;

Читайте также:  Ток стабилизации стабилитрона как определить

— комплексная амплитуда напряжения;

— сопряженная комплексная амплитуда напряжения.

Таким образом, синусоидальное напряжение можно представить на комплексной плоскости вращающимся вектором. Тогда амплитудное значение напряжения будет представлять собой модуль или длину вектора напряжения.

Вектор напряжения на комплексной плоскости

Так как в цепи с синусоидальным напряжением ток тоже будет подчиняться этому закону, то аналогично можно записать

— комплексная амплитуда тока; *

— сопряженная комплексная амплитуда тока.

Разделив напряжение на ток, получим закон Ома в комплексном виде:

При напряжение на сопротивлении согласно закону Ома . Таким образом, следует отметить, что на активном сопротивлении напряжение и ток совпадают по фазе и (см. рисунок).

Кривые напряжения и тока в активном сопротивлении

Величину переменного напряжения или тока можно оценить значением амплитуды или средним значением за полупериод или действующим значением. При изменении напряжения или тока по закону синуса среднее значение напряжения определяется:

При большой частоте вращения ротора генератора, т. е. при большой частоте колебаний э. д. с. и силы тока, измерять их амплитуды на практике крайне неудобно. По этой причине ввели величины, названные действующими значениями э. д. с, силы тока и напряжения.

Действующим значением силы переменного тока называют силу такого постоянного тока, при прохождении которого по той же цепи и за то же время выделяется такое же количество теплоты, как и при прохождении переменного тока.

При синусоидальном законе действующие значения тока и напряжения:

Приборы электромагнитной системы, применяемые для измерений напряжений и токов на переменном токе, регистрируют действующие значения. Соответственно градуируются и шкалы этих приборов.

Ток, протекающий через индуктивность L (рис. 7), меняется по закону синуса /’ = Im sin(co/ + у;).

Кривые напряжения и тока в индуктивном сопротивлении

Напряжение на индуктивности определяется выражением

-индуктивное сопротивленияе

Индуктивное сопротивление выражают в омах, оно играет роль сопротивления в цепи переменного тока с катушкой индуктивности.

В идеальной индуктивности ток отстает от напряжения на 90°.

Если напряжение на емкости меняется по закону синуса , то

-емкостное сопротивление.

Емкостное сопротивление выражается в омах, оно играет роль сопротивления в цепи переменного тока с конденсатором.

Кривые напряжения и тока в емкостном сопротивлении

В идеальной емкости ток опережает напряжение на 90°

Режим — состояние электрической цепи переменного тока описывается дифференциальными уравнениями, представляющими собой уравнения с постоянными коэффициентами и правой частью, например:

Из курса высшей математики известно, что общее решение такого уравнения может быть найдено методом наложения принужденного и свободного режимов:

— ток принужденного режима при di/dt=0

— ток свободного режима.

Свободные процессы исследуются с целью определения устойчивости системы. В устойчивой системе процессы должны затухать. Принужденный и свободный режимы в сумме определяют процессы, которые называются переходными, т.е. осуществляется переход от одного установившегося режима к другому.

При установившемся режиме ток и напряжение сохраняют в течение длительного времени амплитудные значения.

В цепях постоянного тока токи и напряжения остаются неизменными, а в цепях переменного тока остаются неизменными кривые изменения токов и напряжений.

Мощность цепи переменного тока

В периодическом синусоидальном режиме

Используя известное тригонометрическое преобразование

и обозначив , получим

Среднее за период значение гармонической функции удвоенной частоты равно нулю.

Измерение мгновенного значения мощности переменного тока затруднено из-за сравнительно большой частоты колебаний (v = 50 Гц). Поэтому на практике принято пользоваться средней мощностью тока. Средняя мощность — это отношение энергии, потребляемой за один период, к периоду:

— энергетическое значение коэффициента мощности,

Потребляемая на участке цепи с резистором средняя мощность получила название активной мощности. Она необратимо преобразуется в джоулеву теплоту и другие виды энергии. Мощность, потребляемую на участках цепи с емкостным и индуктивным сопротивлениями, называют реактивной мощностью.

При передаче электрической энергии по цепи переменного тока ее необратимые преобразования происходят только на тех участках цепи, которые содержат резисторы. Такие участки цепи называют активной нагрузкой. На активной нагрузке электроэнергия превращается в теплоту или механическую работу.

Участок цепи с индуктивностью или емкостью называют реактивной нагрузкой. На участках цепи, которые состоят из чистых емкостных или индуктивных сопротивлений, электроэнергия не потребляется. В цепи с реактивными нагрузками происходит только перекачка энергии от генератора к нагрузке и обратно с неизбежными потерями в подводящих проводах.

При заданных Р и U ток является функцией cosj. Потери мощности на сопротивлении

В цепи с резистором j=0.

Коэффициент мощности cosj показывает, какая часть полной мощности, вырабатываемой генератором и передаваемой нагрузке, необратимо используется нагрузкой. Он играет важную роль в электротехнике. В самом деле, если в цепи имеется значительный сдвиг по фазе между колебаниями тока и э. д. с, то коэффициент мощности мал и нагрузка потребляет от генератора малую активную мощность. Вместе с тем генератор должен вырабатывать полную мощность S. Эту же мощность должен отдавать генератору первичный двигатель. Таким образом, при низком коэффициенте мощности нагрузка потребляет лишь часть энергии, которую вырабатывает генератор. Оставшаяся часть энергии перекачивается периодически от генератора к потребителю и обратно и рассеивается в линиях электропередачи.

Максимально благоприятные условия передачи электроэнергии создаются в цепи, работающей в режиме резонанса. В самом деле, при приближении к резонансу амплитуда силы тока оказывается максимальной и коэффициент мощности стремится к единице. В этом случае активная мощность приближается к полной мощности, т. е. достигает максимума.

Повышение к. м. является важной народнохозяйственной задачей, от решения которой зависит эффективность использования вырабатываемой электроэнергии.

Уменьшение к. м. в промышленных цепях происходит в основном за счет содержащихся в них трансформаторов и асинхронных электродвигателей, имеющих значительные индуктивные сопротивления. Поэтому повысить к. м. при таких нагрузках можно путем подключения параллельно основной цепи компенсирующих конденсаторов, позволяющих приблизиться к режиму резонанса токов.

С целью повышения к. м. и экономии электроэнергии не следует допускать холостого хода (т. е. работы без нагрузки) трансформаторов и асинхронных электродвигателей, ибо в этом случае они представляют собой чисто индуктивные сопротивления и вызывают дополнительные потери мощности.

Коэффициент мощности (к. м.) ни в коем случае нельзя путать с коэффициентом полезного действия (к. п. д.). Так, например, при определенном соотношении емкости и индуктивности коэффициент мощности в данной цепи может оказаться равным единице. Коэффициент же полезного действия цепи всегда меньше единицы.

Мощность цепи переменного тока

Мощность в активном сопротивлении

Мгновенное значение мощности для цепи с резистором:

Из рисунка видно, что потребляемая резистором мгновенная мощность остается все время положительной, но пульсирует с удвоенной по отношению к силе тока и э. д. с. частотой.

Действующее значение мощности:

Активная мощность в цепи с идеальной катушкой индуктивности и конденсатором равна 0. Реактивная мощность определяется выражением:

Аналогично можно проделать для цепи с идеальным конденсатором:

В произвольной цепи переменного тока потребляемая одновременно активной и реактивной нагрузками суммарная мощность

Но так как , следовательно, . Мы приходим к выводу, что суммарная средняя мощность, потребляемая полной цепью переменного тока, равна активной мощности.

где S — полная мощность, вырабатываемая генератором переменного тока, ВА;

a — сдвиг по фазе между колебаниями э. д. с. и силы тока.

Источник